翼尖装置综述

运输类飞机翼尖装置综述2006国际航空5期AnOverviewonWingtipDevicesofTransport司江涛任晓峰王健目前，运输类飞机多以翼梢装置的巧妙设计达到有效减小飞机诱导阻力的目的，这类翼梢装置在设计上花样繁多，不断翻新。本文在介绍翼梢装置设计要求和特点的基础上，着重介绍几种比较典型和行之有效的翼梢装置设计。长期以来，人们一直力图通过改变机翼翼尖处的几何形状，研究减小诱导阻力的有效方法。展向延伸机翼翼尖是其方法之一，其他措施还有修改翼尖形状和改变其位置等。研究发现用非平面的翼梢升力系统比简单的翼尖延伸设计能达到更好的减小诱导阻力的效果，如"翼尖端板"、"翼尖帆片"、翼梢小翼等。一、主要作用一般情况下，翼梢小翼的翼面形状类似于机翼，装在机翼翼尖处与机翼所在平面呈一定的角度。加装小翼后能明显地改变机翼翼尖附近的流场，减弱翼尖旋涡，减少了与阻力直接相关的能量消耗。随着机翼近涡中心的横向流速的显著减小，近机翼流动下洗减少，因而显著地减小了机翼的诱导阻力。据报道，在KC135空中加油机上进行的加装翼梢小翼的飞行试验表明，它可使飞机的诱导阻力下降15%,升阻比提高5%8%,耗油量减少9%,其性能的改善相当可观。波音公司研发的融合式翼梢小翼，可降低飞机轮挡油耗3%5%，降低飞机起飞时机场噪声约6.5%。二、其他作用端板效应在机翼上加装翼梢小翼，起到了翼梢的端板作用，从而增大了机翼的有效展弦比，克服了靠加长翼展而造成停机棚跨度不够和地面调动困难等问题。分散翼尖涡大展弦比机翼有很强的翼尖涡，形成很强的集中涡，这种强集中涡在空中可以持续23分钟而不耗散，会给在其后面飞行的小飞机带来极大的威胁。在机翼上加装翼梢小翼，可以使机翼翼尖拖出的强集中涡分散变成若干小涡。它们在黏性的作用下使其强度很快减弱，能大大减小对后面飞机带来的危害，提高机场使用效率。不过也应该看到，翼梢装置本身产生的升力，会造成机翼展向压心外移，机翼翼根弯矩有所增加，为了加强机翼可能会增加结构重量，再加上翼梢本身的重量，就会使飞机的总重量略有增加，尤其在小升力系数下，翼梢装置本身产生的阻力会大于其带来的受益。三、重要设计参数选择翼梢小翼设计参数的选择，将直接影响翼梢装置的效果。1）高度增加翼梢小翼高度即增加其展长，可产生较好的功效。但过高的翼梢小翼会产生较大的翼根弯矩，这将付出要加强机翼结构设计的代价。所以翼梢小翼的高度是根据气动和结构的综合需求而定的，一般情况下翼梢小翼的高度为机翼半展长的10%左右。（2）后掠角为了使翼尖装置在临界状态有满意的特性，并且使小翼的边界特性好于机翼的边界特性，一般要求翼梢小翼的后掠角应略大于或基本等于机翼的后掠角。（3）尖梢比当翼梢小翼的尖梢比使其展向的法向力系数近似不变时，具有最大的气动效率。为了达到这种希望的展向载荷分布，要求翼梢小翼有较大的尖梢比。（4）倾斜角翼梢小翼的弦平面与地平面的垂直面之间的夹角定义为倾斜角。为了使翼梢小翼能有效地减小诱导阻力，并使机翼翼尖和小翼根部交界处在超临界状态下产生的流动干扰较小，要求翼梢小翼外倾。但外倾角不能过大，否则会导致较大的翼根弯矩，需要结构加强而付出重量增加的代价。一般倾斜角在15°左右。（5）安装角和扭转角翼梢小翼的安装角是翼梢小翼的根弦方向与机翼翼弦方向的夹角，在翼梢小翼的所有设计参数中对性能的影响很大。对于翼面上的翼梢小翼，一般是前缘向外，有负的几何安装角，这是因为有效的内流角要比在设计条件下达到所希望的法向力系数所需的小翼迎角更大。在小翼需要有大弯度时，这个负迎角更为重要。通常，最佳的安装角要通过一系列的试验来决定。在一般流场中，为了在后掠的小翼上得到所希望的展向载荷分布显然需要扭转，但是，在机翼上随小翼展向高度的增加而减小的内流几乎提供了所希望的气动扭转。因此小翼的设计中通常不采用扭转。（6）小翼的前后位置小翼根弦前缘位置通常以翼尖剖面的最大厚度线为参考，若太靠前，则会使得小翼内表面上增大的速度和机翼翼尖前部的上表面速度相叠加，加大了流动干扰，容易引起气流流动分离；如太靠后则会引起结构上的困难。同时，前缘太靠后会使小翼的根部弦长变短，降低小翼效率。资料表明：翼梢小翼的前缘放在机翼翼型脊点附近，后缘靠近机翼后缘，这可望获得最大的小翼效率。（7）翼梢小翼下小翼参数的选择从理论上说，在翼尖下面的一个近似垂直的小翼翼面应该和在翼尖上面有同样高度的小翼翼面同样有效。但是，下小翼一般比最佳长度短（由于近地面等因素）。试验表明，即使这样一个下小翼，与翼梢的大的上小翼组合后也提高了小翼的效率，特别是在高升力系数下。同时，下小翼在某种意义上，还可减小翼根弯矩。当机翼处于高升力状态下时，下小翼向前放置能最大限度减小上小翼内侧前部区域通常很大的诱导速度。当下小翼的根部后缘和上小翼的前缘流线一致时，有利的影响几乎是最佳的。但是，要找出各种飞行条件下都满意的下小翼形状是困难的，不过，如上小翼一样,下小翼也需要考虑弯曲和扭转。下小翼的外倾将会增加这个翼面对上小翼流动的有利干扰。分析表明，最满意的综合特性大多是在下小翼只有很小或没有向外倾斜角的情况下达到的。四、应用现状及发展趋势翼尖设计可分为翼尖修形和加装翼尖装置两类，前者主要有剪切翼尖、抛物翼尖和双曲翼尖等；翼尖装置从作用上来看又分为两类：被动形式，如翼梢端板、翼梢帆片、翼梢小翼等，是通过改善翼尖涡，减小飞机的诱导阻力；主动形式，如翼尖涡轮等，是通过利用翼尖涡的能量做功，如发电等。国外翼梢装置的研究开展得很早，早在1897年就有人提出在机翼的翼梢装垂直端板的设想，后来进行的试验表明端板确实能减小飞机的诱导阻力。1955年克莱门特经研究指出如端板外倾5度，并且具有一定的弯度，可以使机翼的诱导阻力显著减小。美国NASA兰利研究中心的惠特科姆博士进一步提出了翼梢小翼的概念，完成了一系列的风洞试验。国外许多飞机公司先后利用这一简单而有效的装置，在各自的大型民用飞机上加翼梢小翼，如波音747400、DC-10、MD-11、图一204、CRJ等飞机。但大多数波音系列的民用飞机，机翼翼尖多采用曲线形式的翼尖修形，来改善机翼翼尖的流动，尽管对减小飞机诱导阻力的贡献不如翼梢小翼等，但也避免了因加装翼梢小翼带来的重量以及其他方面的不利影响。空客系列飞机的翼尖设计很有特点，基本上都采了翼尖涡扩散器，减阻效果也不错。近年来，国外在新概念翼尖研究方面取得显著成果，提出了"融合式翼尖装置"、"螺旋式翼尖装置"等。其中"融合式翼梢小翼"已成功应用在波音737800等飞机上，减阻等方面的效果非常显著。与常规的翼尖装置相比，"融合式翼尖装置"在设计概念上有较大的不同，机翼翼尖弦向光滑地过渡到翼尖小翼上，这将大大改善翼尖小翼和机翼端部交接区的流场，将气流干扰和分离降到最低程度。此外，融合式翼梢小翼的加装减小了后掠翼飞机翼尖效应的影响区，有效地延长了机翼表面等压线的长度，提高了飞机巡航状态的气动效率，同时还起到了通常概念上翼梢小翼减小翼尖涡强度的作用。螺旋式翼尖装置是将水平小翼和竖直小翼在它们的顶点处连接起来的一种翼尖形式，当前的研究表明，这种非常规的装置在减小翼尖涡方面可能更有前途。有关文献表明，当融合小翼的高度为半翼展的6%时，诱导阻力下降4%，而当螺旋小翼的高度为半翼展的3.8%时诱导阻力能下降3.3%。不过，螺旋小翼几何形状相对复杂而难以优化，对其制造和使用将是较大的限制。总之，随着新概念翼尖装置研究的不断深入，作为飞机减阻、降噪等方面的一种有效的措施，具有很广阔的应用前景。4